Synchronized原理分析

文章簡介

synchronized想必大家都不陌生，用來解決線程安全問題的利器。同時也是Java高級程序員面試比較常見的面試題。這篇文正會帶大家徹底瞭解synchronized的實現。

內容導航

1. 什麼時候需要用Synchronized
2. synchronized的使用
3. synchronized的實現原理分析

什麼時候需要用Synchronized

想必大家對synchronized都不陌生，主要作用是在多個線程操作共享數據的時候，保證對共享數據訪問的線程安全性。

比如在下面這個圖片中，兩個線程對於i這個共享變量同時做i++遞增操作，那麼這個時候對於i這個值來說就存在一個不確定性，也就是說理論上i的值應該是2，但是也可能是1。而導致這個問題的原因是線程並行執行i++操作並不是原子的，存在線程安全問題。所以通常來說解決辦法是通過加鎖來實現線程的串行執行，而synchronized就是java中鎖的實現的關鍵字。

synchronized在併發編程中是一個非常重要的角色，在JDK1.6之前，它是一個重量級鎖的角色，但是在JDK1.6之後對synchronized做了優化，優化以後性能有了較大的提升(這塊會在後面做詳細的分析)。

先來看一下synchronized的使用

Synchronized的使用

synchronized有三種使用方法，這三種使用方法分別對應三種不同的作用域，代碼如下

修飾普通同步方法

將synchronized修飾在普通同步方法，那麼該鎖的作用域是在當前實例對象範圍內,也就是說對於 SyncDemosd=newSyncDemo();這一個實例對象sd來說，多個線程訪問access方法會有鎖的限制。如果access已經有線程持有了鎖，那這個線程會獨佔鎖，直到鎖釋放完畢之前，其他線程都會被阻塞

public SyncDemo{
   Object lock =new Object();
    //形式1
    public synchronized void access(){
       //
    }
    //形式2,作用域等同於形式1
    public void access1(){
       synchronized(lock){
         //
       }
    }
    //形式3，作用域等同於前面兩種
    public void access2(){
       synchronized(this){
          //
       }
    }
}

修飾靜態同步方法

修飾靜態同步方法或者靜態對象、類，那麼這個鎖的作用範圍是類級別。舉個簡單的例子，

SyncDemo sd=SyncDemo();
SyncDemo sd2=new SyncDemo();} 

兩個不同的實例sd和sd2， 如果sd這個實例訪問access方法並且成功持有了鎖，那麼sd2這個對象如果同樣來訪問access方法，那麼它必須要等待sd這個對象的鎖釋放以後，sd2這個對象的線程才能訪問該方法，這就是類鎖；也就是說類鎖就相當於全局鎖的概念，作用範圍是類級別。

這裏拋一個小問題，大家看看能不能回答，如果不能也沒關係，後面會講解；問題是如果sd先訪問access獲得了鎖，sd2對象的線程再訪問access1方法，那麼它會被阻塞嗎？

public SyncDemo{
    static Object lock=new Object();
    //形式1
    public synchronized static void access(){
       //
    }
    //形式2等同於形式1
    public void access1(){
       synchronized(lock){
          //
       }
    }
    //形式3等同於前面兩種
    public void access2(){
        synchronzied(SyncDemo.class){
          //
        }
    }
}

步方法塊

public SyncDemo{
   Object lock=new Object();
   public void access(){
       //do something
       synchronized(lock){
         //
       }
   }
}

通過演示3種不同鎖的使用，讓大家對synchronized有了初步的認識。當一個線程視圖訪問帶有synchronized修飾的同步代碼塊或者方法時，必須要先獲得鎖。當方法執行完畢退出以後或者出現異常的情況下會自動釋放鎖。如果大家認真看了上面的三個案例，那麼應該知道鎖的範圍控制是由對象的作用域決定的。對象的作用域越大，那麼鎖的範圍也就越大，因此我們可以得出一個初步的猜想，synchronized和對象有非常大的關係。那麼，接下來就去剖析一下鎖的原理

Synchronized的實現原理分析

當一個線程嘗試訪問synchronized修飾的代碼塊時，它首先要獲得鎖，那麼這個鎖到底存在哪裏呢？

對象在內存中的佈局

synchronized實現的鎖是存儲在Java對象頭裏，什麼是對象頭呢？在Hotspot虛擬機中，對象在內存中的存儲佈局，可以分爲三個區域:對象頭(Header)、實例數據(Instance Data)、對齊填充(Padding)

當我們在Java代碼中，使用new創建一個對象實例的時候，（hotspot虛擬機）JVM層面實際上會創建一個 instanceOopDesc對象。

Hotspot虛擬機採用OOP-Klass模型來描述Java對象實例，OOP(Ordinary Object Point)指的是普通對象指針，Klass用來描述對象實例的具體類型。Hotspot採用instanceOopDesc和arrayOopDesc來描述對象頭，arrayOopDesc對象用來描述數組類型

instanceOopDesc的定義在Hotspot源碼中的 instanceOop.hpp文件中，另外，arrayOopDesc的定義對應 arrayOop.hpp

class instanceOopDesc : public oopDesc {
 public:
  // aligned header size.
  static int header_size() { return sizeof(instanceOopDesc)/HeapWordSize; }
  // If compressed, the offset of the fields of the instance may not be aligned.
  static int base_offset_in_bytes() {
    // offset computation code breaks if UseCompressedClassPointers
    // only is true
    return (UseCompressedOops && UseCompressedClassPointers) ?
             klass_gap_offset_in_bytes() :
             sizeof(instanceOopDesc);
  }
  static bool contains_field_offset(int offset, int nonstatic_field_size) {
    int base_in_bytes = base_offset_in_bytes();
    return (offset >= base_in_bytes &&
            (offset-base_in_bytes) < nonstatic_field_size * heapOopSize);
  }
};
#endif // SHARE_VM_OOPS_INSTANCEOOP_HPP

從instanceOopDesc代碼中可以看到 instanceOopDesc繼承自oopDesc，oopDesc的定義載Hotspot源碼中的 oop.hpp文件中

class oopDesc {
  friend class VMStructs;
 private:
  volatile markOop  _mark;
  union _metadata {
    Klass*      _klass;
    narrowKlass _compressed_klass;
  } _metadata;
  // Fast access to barrier set.  Must be initialized.
  static BarrierSet* _bs;
  ...
}

在普通實例對象中，oopDesc的定義包含兩個成員，分別是 _mark和 _metadata

_mark表示對象標記、屬於markOop類型，也就是接下來要講解的Mark World，它記錄了對象和鎖有關的信息

_metadata表示類元信息，類元信息存儲的是對象指向它的類元數據(Klass)的首地址，其中Klass表示普通指針、 _compressed_klass表示壓縮類指針

Mark Word

在前面我們提到過，普通對象的對象頭由兩部分組成，分別是markOop以及類元信息，markOop官方稱爲Mark Word
在Hotspot中，markOop的定義在 markOop.hpp文件中，代碼如下

class markOopDesc: public oopDesc {
 private:
  // Conversion
  uintptr_t value() const { return (uintptr_t) this; }
 public:
  // Constants
  enum { age_bits                 = 4,  //分代年齡
         lock_bits                = 2, //鎖標識
         biased_lock_bits         = 1, //是否爲偏向鎖
         max_hash_bits            = BitsPerWord - age_bits - lock_bits - biased_lock_bits,
         hash_bits                = max_hash_bits > 31 ? 31 : max_hash_bits, //對象的hashcode
         cms_bits                 = LP64_ONLY(1) NOT_LP64(0),
         epoch_bits               = 2 //偏向鎖的時間戳
  };
...

Mark word記錄了對象和鎖有關的信息，當某個對象被synchronized關鍵字當成同步鎖時，那麼圍繞這個鎖的一系列操作都和Mark word有關係。Mark Word在32位虛擬機的長度是32bit、在64位虛擬機的長度是64bit。
Mark Word裏面存儲的數據會隨着鎖標誌位的變化而變化，Mark Word可能變化爲存儲以下5中情況

鎖標誌位的表示意義

1. 鎖標識 lock=00 表示輕量級鎖
2. 鎖標識 lock=10 表示重量級鎖
3. 偏向鎖標識 biased_lock=1表示偏向鎖
4. 偏向鎖標識 biased_lock=0且鎖標識=01表示無鎖狀態

到目前爲止，我們再總結一下前面的內容，synchronized(lock)中的lock可以用Java中任何一個對象來表示，而鎖標識的存儲實際上就是在lock這個對象中的對象頭內。大家懂了嗎？

其實前面只提到了鎖標誌位的存儲，但是爲什麼任意一個Java對象都能成爲鎖對象呢？

首先，Java中的每個對象都派生自Object類，而每個Java Object在JVM內部都有一個native的C++對象 oop/oopDesc進行對應。
其次，線程在獲取鎖的時候，實際上就是獲得一個監視器對象(monitor) ,monitor可以認爲是一個同步對象，所有的Java對象是天生攜帶monitor.
在hotspot源碼的 markOop.hpp文件中，可以看到下面這段代碼。

ObjectMonitor* monitor() const {
    assert(has_monitor(), "check");
    // Use xor instead of &~ to provide one extra tag-bit check.
    return (ObjectMonitor*) (value() ^ monitor_value);
  }

多個線程訪問同步代碼塊時，相當於去爭搶對象監視器修改對象中的鎖標識,上面的代碼中ObjectMonitor這個對象和線程爭搶鎖的邏輯有密切的關係(後續會詳細分析)

鎖的升級

前面提到了鎖的幾個概念，偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖。在JDK1.6之前，synchronized是一個重量級鎖，性能比較差。從JDK1.6開始，爲了減少獲得鎖和釋放鎖帶來的性能消耗，synchronized進行了優化，引入了 偏向鎖和 輕量級鎖的概念。所以從JDK1.6開始，鎖一共會有四種狀態，鎖的狀態根據競爭激烈程度從低到高分別是:無鎖狀態->偏向鎖狀態->輕量級鎖狀態->重量級鎖狀態。這幾個狀態會隨着鎖競爭的情況逐步升級。爲了提高獲得鎖和釋放鎖的效率，鎖可以升級但是不能降級。
下面就詳細講解synchronized的三種鎖的狀態及升級原理

偏向鎖

在大多數的情況下，鎖不僅不存在多線程的競爭，而且總是由同一個線程獲得。因此爲了讓線程獲得鎖的代價更低引入了偏向鎖的概念。偏向鎖的意思是如果一個線程獲得了一個偏向鎖，如果在接下來的一段時間中沒有其他線程來競爭鎖，那麼持有偏向鎖的線程再次進入或者退出同一個同步代碼塊，不需要再次進行搶佔鎖和釋放鎖的操作。偏向鎖可以通過 -XX:+UseBiasedLocking開啓或者關閉

偏向鎖的獲取

偏向鎖的獲取過程非常簡單，當一個線程訪問同步塊獲取鎖時，會在對象頭和棧幀中的鎖記錄裏存儲偏向鎖的線程ID，表示哪個線程獲得了偏向鎖，結合前面分析的Mark Word來分析一下偏向鎖的獲取邏輯

1. 首先獲取目標對象的Mark Word，根據鎖的標識爲和epoch去判斷當前是否處於可偏向的狀態
2. 如果爲可偏向狀態，則通過CAS操作將自己的線程ID寫入到MarkWord，如果CAS操作成功，則表示當前線程成功獲取到偏向鎖，繼續執行同步代碼塊
3. 如果是已偏向狀態，先檢測MarkWord中存儲的threadID和當前訪問的線程的threadID是否相等，如果相等，表示當前線程已經獲得了偏向鎖，則不需要再獲得鎖直接執行同步代碼；如果不相等，則證明當前鎖偏向於其他線程，需要撤銷偏向鎖。

CAS:表示自旋鎖，由於線程的阻塞和喚醒需要CPU從用戶態轉爲核心態，頻繁的阻塞和喚醒對CPU來說性能開銷很大。同時，很多對象鎖的鎖定狀態指會持續很短的時間，因此引入了自旋鎖，所謂自旋就是一個無意義的死循環，在循環體內不斷的重行競爭鎖。當然，自旋的次數會有限制，超出指定的限制會升級到阻塞鎖。

偏向鎖的撤銷

當其他線程嘗試競爭偏向鎖時，持有偏向鎖的線程纔會釋放偏向鎖，撤銷偏向鎖的過程需要等待一個全局安全點(所有工作線程都停止字節碼的執行)。

1. 首先，暫停擁有偏向鎖的線程，然後檢查偏向鎖的線程是否爲存活狀態
2. 如果線程已經死了，直接把對象頭設置爲無鎖狀態
3. 如果還活着，當達到全局安全點時獲得偏向鎖的線程會被掛起，接着偏向鎖升級爲輕量級鎖，然後喚醒被阻塞在全局安全點的線程繼續往下執行同步代碼

偏向鎖的獲取流程圖

輕量級鎖

前面我們知道，當存在超過一個線程在競爭同一個同步代碼塊時，會發生偏向鎖的撤銷。偏向鎖撤銷以後對象會可能會處於兩種狀態

1. 一種是不可偏向的無鎖狀態，簡單來說就是已經獲得偏向鎖的線程已經退出了同步代碼塊，那麼這個時候會撤銷偏向鎖，並升級爲輕量級鎖
2. 一種是不可偏向的已鎖狀態，簡單來說就是已經獲得偏向鎖的線程正在執行同步代碼塊，那麼這個時候會升級到輕量級鎖並且被原持有鎖的線程獲得鎖

那麼升級到輕量級鎖以後的加鎖過程和解鎖過程是怎麼樣的呢?

輕量級鎖加鎖

1. JVM會先在當前線程的棧幀中創建用於存儲鎖記錄的空間(LockRecord)
2. 將對象頭中的Mark Word複製到鎖記錄中，稱爲Displaced Mark Word.
3. 線程嘗試使用CAS將對象頭中的Mark Word替換爲指向鎖記錄的指針
4. 如果替換成功，表示當前線程獲得輕量級鎖，如果失敗，表示存在其他線程競爭鎖，那麼當前線程會嘗試使用CAS來獲取鎖，當自旋超過指定次數(可以自定義)時仍然無法獲得鎖，此時鎖會膨脹升級爲重量級鎖

輕量鎖解鎖

1. 嘗試CAS操作將所記錄中的Mark Word替換回到對象頭中
2. 如果成功，表示沒有競爭發生
3. 如果失敗，表示當前鎖存在競爭，鎖會膨脹成重量級鎖

一旦鎖升級成重量級鎖，就不會再恢復到輕量級鎖狀態。當鎖處於重量級鎖狀態，其他線程嘗試獲取鎖時，都會被阻塞，也就是 BLOCKED狀態。當持有鎖的線程釋放鎖之後會喚醒這些現場，被喚醒之後的線程會進行新一輪的競爭

重量級鎖

重量級鎖依賴對象內部的monitor鎖來實現，而monitor又依賴操作系統的MutexLock（互斥鎖）

大家如果對MutexLock有興趣，可以抽時間去了解，假設Mutex變量的值爲1，表示互斥鎖空閒，這個時候某個線程調用lock可以獲得鎖，而Mutex的值爲0表示互斥鎖已經被其他線程獲得，其他線程調用lock只能掛起等待

爲什麼重量級鎖的開銷比較大呢？

原因是當系統檢查到是重量級鎖之後，會把等待想要獲取鎖的線程阻塞，被阻塞的線程不會消耗CPU，但是阻塞或者喚醒一個線程，都需要通過操作系統來實現，也就是相當於從用戶態轉化到內核態，而轉化狀態是需要消耗時間的

總結

到目前爲止，我們分析了synchronized的使用方法、以及鎖的存儲、對象頭、鎖升級的原理。 轉載：https://segmentfault.com/a/1190000017255044